中断

1 中断的概念

中断是一种处理器与外设进行通信的机制，用于通知处理器外部有重要事件发生。一般情况下，中断需要被处理器响应。

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2 中断服务程序（ISR）

1. 从外设中读取中断状态寄存器的值，以便了解中断类型。
2. 根据中断类型具体设计处理逻辑。
3. 清除外设状态寄存器中的中断标识位。
4. 清除处理器中的中断标识位。

注意，对于软件工程师中的中断服务程序：

• 不能有返回值，不能有参数传递（假设有返回值和参数，那么返回值返回给谁呢？谁来传递参数呢？）。
• 必须短小而高效，避免浮点运算。

如下的中断服务程序就是有问题的：

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3 中断的意义

• 应用程序不必关心中断的发生与处理。
• 中断服务程序不必关心应用程序的执行状态。
• 中断是“上层应用”与“底层代码”的“分割边界”。

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4 中断的类型

硬中断：

• 通过处理器中断信号产生的中断。

软中断：

• 通过非法指令或特殊指令触发的中断。

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5 中断的优先级

• 多个中断同时出现时，处理器先响应高优先级的中断。
• 低优先级中断的ISR执行时，可以被高优先级中断再次打断。
• ISR比App Code拥有更高的执行优先级。

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6 中断的应用

6.1 中断的应用-程序断点

断点指的是调试工具用于暂停代码执行的指令位置，断点的实现原理为处理器的中断支持：

• 软件断点：利用非法指令异常产生中断实现。
• 硬件中断：利用中断寄存器的特性产生中断实现。

6.2 程序断点的实现原理

1. 获取原程序指定行对应的代码地址。
2. 把代码地址中的指令替换为中断触发指令。
3. 在中断服务程序中将控制权交给调试程序。
4. 调试程序读写原程序上下文信息。
5. 调试程序将代码地址中的指令还原。
6. 原程序从断点处继续向下执行。

6.3 一个工程产品案例的剖析

6.3.1 背景及痛点

背景：

• 嵌入式实时系统对时序的要求比较严格。
• 各个线程的执行有相对严格的时序要求。

痛点：

• 断点调试在嵌入式实时系统中不适用。

6.3.2 常规解决方案-日志调试法

日志调试法：

• 在代码中的“关键位置”添加打印语句。
• 打印语句尽可能详细的打印上下文信息（函数名、局部变量等）。
• 当系统出现问题时，查看日志文件，分析问题。

日志调试法存在的问题：

• 不易维护：打印语句分散于产品代码的各个角落。
• 影响效率：过多的打印语句意味着过多的IO操作，影响产品的整体执行效率。
• 分析困难：当日志输出非常多的时候，很难精确定位问题。也许只有添加打印语句的工程师看得懂日志输出。

6.3.3 解决方案

一个疯狂的想法： 同时结合日志调试法和断点调试法的优点，使得实时系统调试时，能够任意查看指定代码行上下文的信息；并且，不增加打印语句，不暂停执行。

解决方案：

1. 获取原程序指定行对应的代码地址。
2. 把代码地址中的指令替换为中断触发指令。
3. 在中断服务程序中抓取全局信息和栈信息。
4. 抓取的信息发送回调试程序解析并输出。

实践结果：

• 基于ARM+Linux平台完整实现。
• 通过中断原理成功获取上下文信息。
• 完全不影响程序的执行时序。
• 产品关键技术点：
  • 中断，ISR，编译信息，GDB
  • GUI，Socket，多线程